Ressonância Magnética
Aluno : Bruno Raphael Pereira Morais
Histórico
•
1873 – Maxwell , com sua teoria para campos elétricos e
magnéticos. Lorentz com a Teoria do Elétron.
•
1887 – Hertz – Radiofrequência
•
1924 – Pauli – Magnetismo Nuclear
•
1946 – Felix Bloch(Stanford) e Edward Purcell (Harvard)
descreveram em trabalhos independentes a ressonância
magnética em sólidos.
•
1971 – Raymond Damadian demonstra que as constantes de
relaxação da água são bastante diferentes em tumores malignos
de ratos quando comparados a tecidos normais. Produziu uma
imagem por RMN do tumor de um rato.
•
1973 – Paul Lautebur publica a primeira imagem RMN de um
objeto heterogêneo.
Histórico
•
1977 – Raymond Damadian publica a primeira imagem
humana obtida por RMN.
•
1980 – Primeira imagem de qualidade do cérebro
produzida por um grupo na universidade de Nottingham.
•
1981 – Publicados primeiros estudos usando IRMN em
pacientes.
Spin Nuclear
- Propriedade fundamental de todas as partículas
elementares: prótons, nêutrons e elétrons.
- Trata-se do momento angular pertencente à
partícula em questão.
Spin Nuclear
- Partículas com spins em sentidos opostos
cancelam-se em valor. O Spin total de uma rede
de núcleos depende do número de partículas que
não se cancelaram.
- O valor é sempre em múltiplos de 1/2.
Spin Nuclear
Se aplicamos um
campo magnético
externo B0, os spins
se alinharão ou
paralelamente, ou em
sentido contrário a
este campo.
Spin Nuclear
No entanto, o
alinhamento não será
exato: a partícula
rodará em torno de
um eixo na direção
deste campo
aplicado, graças ao
movimento de
precessão dos
prótons.
Spin Nuclear
Este efeito chama-se
“Efeito Zeeman”, e foi
descoberto pelo físico
Holandês Peter
Zeeman em 1897 e
explicado por Lorentz
em sua “Teoria do
Elétron” no mesmo
ano.
Spin Nuclear
•
A precessão acontece em uma certa
frequência chamada frequência de Larmor.
•
Depende de uma frequência giromagnética da
partícula em questão e do módulo da
intensidade do campo magnético externo
aplicado.
•
Para um átomo de hidrogênio, este valor é
aproximadamente 42,85 x |B|
Hidrogênio
•
Razões para escolhermos o hidrogênio:
•
- Possui um valor alto para a constante
giromagnética, ou seja, maior sensibilidade à
ação de campos magnéticos.
Rede de Magnetização
É a soma dos vetores de magnetização de
todos os spins.
Contém 2 componentes:
Magnetização Longitudinal : Paralela ao eixo.
Causada pelos prótons restantes em baixo
nível de energia.
Magnetização Transversal: Perpendicular ao
eixo.
Rede de Magnetização
Ao aplicarmos uma
radiofrequência (RF) de
mesma frequência
angular que o sistema
sobre a rede de
magnetização, o vetor é
deslocado para longe do
campo magnético B por
ressonância.
Rede de Magnetização
O ângulo em que essa
RF é aplicada em relação
à rede de magnetização
altera a direção final da
rede, gerando uma
inclinação.
Este ângulo é chamado
de ângulo de giro (flip
angle)
Rede de magnetização
•
A diferença de energia
entre a orientação natural
do spin e a forçada é
emitida na forma de ondas
eletromagnéticas na
frequência de Larmor.
•
Graças ao alinhamento
magnético das ondas, este
pulso eletromagnético gera
um sinal RF que
chamamos de FID.
Rede de Magnetização
Ao término do pulso de RF, os prótons irão re-radiar a
energia absorvida e o vetor da rede de magnetização
retornará ao seu estado de equilíbrio.
Chamamos de relaxamento T1 o tempo que leva para
a componente de magnetização longitudinal Mz
retornar ao seu estado de equilíbrio.
Analogamente, relaxamento T2 é o tempo para a
componente Mxy, de magnetização transversa.
Tempos de Relaxamento
Esses tempos de relaxamento dependem de
vários fatores, como a intensidade da RF e do
campo magnético usados, da uniformidade
desses campos magnéticos, do tipo de tecido
orgânico, da interação entre prótons, entre
outros.
Imperfeições no campo magnético externo
influenciam nos spins de cada próton, criando
um desvio transverso para fora da direção
esperada, alterando T2 para T2*.
Tempos de Relaxamento
Esse tipo de relaxamento
deve ser corrigido
aplicando-se outro pulso
RF para realinhar os
prótons, invertendo o
sentido dos spins. O
tempo até que os prótons
se realinhem é chamado
de echo time.
Tempos de relaxamento
Interações entre spins ocorrem mais
rapidamente, por isso T2 é sempre menor.
Moléculas maiores movem-se mais lentamente,
causando a T1 aumentar graças à dificuldade
que a molécula tem em dissipar energia.
Tempos de Relaxamento
T1 e T2 dependem de todos os compostos que
contém prótons de hidrogênio no volume
medido.
Gradientes
Variamos o campo magnético aplicado de
forma que o valor diminua da cabeça aos pés,
formando um gradiente.
A frequência de Larmor terá que variar também
para que possamos detectar a composição
interna através da ressonância.
Será feito um mapeamento de intensidades,
posições e frequências angulares.
Gradientes
Gradientes
No eixo z (vertical) será feita a seleção de fatia.
(slice selection).
Os eixos x e y são responsáveis pelas
codificações de frequência e de fase.
As posições (x,y) de cada ponto são
encontradas através das frequências e fases de
spin de cada ponto lido. Dois campos
magnéticos gerenciam como esses pontos
estarão distribuídos.
Gradientes
Este processo é feito em duas etapas e é
chamado de codificação espacial.
K-Espaços
Formalismo introduzido em 1983 por Ljunggren
e Twieg.
Visa relacionar as informações de fase e
frequência obtidas com pontos no espaço.
Para isso, aplicamos transformadas de Fourier
sobre os valores obtidos.
K-Espaços
O scanner obtém uma matriz 2D ou 3D, de
acordo com o resultado desejado.
Os dados serão transformados para um
domínio espacial aplicando uma transformada
de Fourier nesta matriz.
Cálculo da Transformada
•
Em t=0, os spins estarão alinhados na direção do campo de
magnetização Mz.(Equilíbrio termal)
•
Durante o pulso, o vetor de magnetização será deslocado na direção do
plano x-y por um campo oscilante H = H0 + cos(wt) , que gera um sinal
FID após o término do pulso, quando os prótons entram em precessão.
•
A magnetização no plano x-y é medida e então aplica-se a transformada:
•
Mxy= M0.exp(-t/T2*) e M0 – Mz = exp(-t/T1)
•
Para achar T2 aplicamos
Cálculo da Transformada
•
Versão simplificada (1D):
•
Precisamos achar a densidade dos prótons em uma linha.
•
A frequência de tempo do sinal FID é diretamente proporcional à força do campo
magnético. Frequência normal e angular são relacionadas por w = 2πf
•
Especificamente:
•
Se a densidade em cada ponto é especificada por p(x), teremos a integral de linha
que representa o sinal medido f(t):
Cálculo da Transformada
•
Resolvemos aplicando o teorema das fatias.
•
Arquivos de imagens de MR são típicamente
de resolução 256x256, representando
espessura de 1mm.
•
No caso de imagens 3D, a grossura pode
variar de 1 a 10 mm.
Geração de Sinais
Chamaremos o tempo entre cada conjunto de
pulsos de tempo de repetição (TR).
Os sinais são enviados na seguinte ordem:
- O gradiente de seleção de fatia (slice)
- O pulso RF de excitação
- O gradiente de codificação de fase
- Geração de eco
- O gradiente de codificação de frequência
Geração de Sinais
Existem 3 formas de geração de sinais:
Eco de spin
Recuperação invertida
Eco de gradiente
Contraste da Imagem
Utilizamos três informações para calcular o
contraste da imagem: a densidade dos prótons
p, T1 e T2.
Ajustando o tempo de repetição entre cada
sequência de pulsos, teremos três tipos de
contraste de imagens.
Contraste de Imagens
Por densidade de
prótons (PD): Longo
TR e curto TE.
As imagens são
baseadas na variação
de concentração de
hidrogênio se
movendo.
Contraste de Imagens
Imagens pesadas por
T1: Curto TR e curto
TE.
O contraste e o brilho
são determinados por
T1, mas a densidade
sempre influi na
intensidade.
Mostram gordura
mais claro e água
mais escuro.
Constraste de Imagens
Imagens pesadas por
T2: Longo TR e longo
TE.
Gordura aparece
mais escura e água
aparece mais clara.
Massa branca contém
gordura, aparecendo
mais escura que
massa cinzenta.
SNR (Signal-to-Noise Ratio)
Vários tipos de ruído acontecem: influência
térmica, artefatos devido a movimentos feitos
pelo paciente, etc.
Desejamos ter uma taxa de sinal/ruído o mais
alta quanto possível.
Um campo magnético mais forte nos trará mais
precisão, no entanto é arriscado para o
paciente. Deve-se obter uma relação
balançeada entre contraste e saturação.
SNR (Signal-to-Noise Ratio)
Podemos reduzir artefatos de movimento
usando filtros de deblurring.
Fatias mais finas originam mais ruído.
Para remoção de ruídos, são usados
principalmente métodos baseados em
estatística e métodos de thresholding.
Outros exemplos
Imagem pesada por
difusão(DWI):
Medida é baseada no
movimento
Browniano da água.
Imagens mais claras
onde há mais difusão
de moléculas de
água.
Detecta isquemia
cerebral.
MRI funcional (fMRI)
•
Desenvolvida numa tentativa de fazer um
mapeamento completo do cérebro.
•
No início dos anos 90 foi descoberto que a
oxigenação no sangue age como um fator de
contraste para MRI.
•
Pede-se ao paciente que realize determinada
tarefa relacionada ao que se deseja medir.
•
Exemplo: Para coordenação motora, pede-se ao paciente que mexa um
braço ou perna.
MRI Funcional (fMRI)
•
Duas técnicas para obtenção de imagen s fMRI:
•
FLASH( fast low angle shot), onde usamos um TR baixo.
•
EPI(echoplanar imaging): pulsos RF de baixa amplitude com
gradiente alto para o campo magnético.
•
EPI gera distorções mas é o mais utilizado graças à sua
velocidade.
BOLD MRI
•
Blood Oxygenation leveldependent MRI: Aproveita-se
das propriedades magnéticas
do sangue oxigenado
(diamagnético) e
desoxigenado
(paramagnético)
•
Quando os neurônio são
ativados, há uma mudança
no fluxo do sangue, que
causa uma alteração no T2*
medido, graças à mudança
no nível de deoxihemoglobina.
Aplicações de fMRI
•
Monitorando recepção de áudio no cérebro
•
Verifica-se a resposta do cérebro do paciente ao emitir voz
ou sons de várias frequências e amplitudes
•
Percebe-se a mudança de suprimento de oxigênio para áreas
diferentes do cérebro durante o processo.
•
É necessário um algoritmo rápido, que obtenha pelo menos 5
imagens por segundo.
Aplicações de fMRI
•
Monitoramento da atividade dos
motoneurônios
•
Monitoramento da atividade do córtex visual
•
É examinada a mudança de atividade nos voxels do lado
posterior do cérebro. O estímulo dado ao paciente varia de
acordo com o que se deseja avaliar.
Bibliografia
Medical Imaging Informatics - Alex AT Bui,
Ricky K. Taira , Ed. Springer
Biomedical Signal and Image Processing –
Najarian, Taylor , Ed. Springer
Wikipediahttp://en.wikipedia.org/wiki/Kspace_%28MRI%29
Curiosidades da
Físicahttp://www.searadaciencia.ufc.br/folclore/f
olclore150.htm
Bibliografia
Tecnologia Radiológica
http://www.tecnologiaradiologica.com/
Magnetic Resonance Technology
IPhttp://www.mr-tip.com/serv1.php
Trabalho sobre Ressonância - UFRGS
http://www.ufrgs.br/biofis/ressonancia.pdf